CARACTERIZAÇÃO ACÚSTICA E CONTROLE DE RUÍDO NUMA USINA HIDRELÉTRICA ATRAVÉS DE MÉTODOS EXPERIMENTAL E NUMÉRICO.

Transcrição

1 CARACTERIZAÇÃO ACÚSTICA E CONTROLE DE RUÍDO NUMA USINA HIDRELÉTRICA ATRAVÉS DE MÉTODOS EXPERIMENTAL E NUMÉRICO. CARDOSO, H. F. S. 1 ; LIMA, A. K. F. 1 ; MELO, G. S. V. 1 ; SOEIRO, N. S. 1 (1) Grupo de Vibrações e Acústica, FEM UFPa RESUMO O processo produtivo nas usinas hidrelétricas, em geral, se dá em ambientes com elevados níveis de pressão sonora. Níveis acima de 85 dba, por exemplo, são facilmente observados nestes espaços. Infelizmente, constata-se na maioria dos casos que uma parte significativa dos colaboradores envolvidos já desenvolveu algum tipo de perda auditiva, devido à exposição ao ruído ocupacional. Diante deste quadro, observou-se a necessidade de se desenvolver uma metodologia para o controle de ruído em ambientes diversos de usinas hidrelétricas, com base na construção de um modelo computacional, equivalente ao ambiente real, sob o aspecto acústico. Utilizando um programa computacional comercialmente disponível determinaram-se, através do método híbrido de raios acústicos e fontes imagem, os níveis de pressão sonora em diversos pontos do ambiente investigado, na forma de um mapa acústico. O modelo numérico desenvolvido foi validado, a partir de comparações com o mapa acústico experimental do espaço pesquisado, permitindo a realização de testes de soluções virtuais de controle de ruído, as quais poderão vir a ser empregadas na prática. ABSTRACT The production process in power plants generally occurs in environments with high sound pressure levels. Levels above 85 dba, for example, are easily observed in these spaces. Unfortunately, in most cases a significant part of the employees involved have already developed some type of hearing loss due to noise exposure. Thus, there is a need to develop a methodology to control noise in different environments of hydroelectric plants, based on building a computational model equivalent to the real environment. Using a commercially available computer program it was determined the sound pressure levels in various parts of the investigated environment in the form of an acoustic map. The numerical model was validated from comparisons with experimental results, allowing the testing of virtual solutions for noise control, which could be implemented in situ. Palavras-chave: controle de ruído, acústica de salas, simulações numéricas. 1. INTRODUÇÃO O som se caracteriza por flutuações de pressão em um meio compressível. No entanto, não são todas as flutuações de pressão que produzem a sensação de audição quando atingem o ouvido humano. A sensação de som só ocorrerá quando a amplitude destas flutuações e a frequência com que elas se repetem estiver dentro de determinada faixa de valores (Gerges, 2000). Desenvolver um estudo acústico de maneira a prever o comportamento do ambiente em relação às alterações realizadas requer um modelo de simulação. Tal modelo deverá corresponder de maneira fidedigna à realidade, predizendo se os parâmetros acústicos do ambiente estão, ou não, em acordo com um padrão de excelência para uma dada finalidade. As equações clássicas da acústica de salas não permitem a obtenção de soluções exatas quando as salas assumem geometria não retangular, ou quando certas idealizações não podem ser consideradas (Melo et al., 2007). Portanto, no estudo de

2 salas com geometrias complexas, faz-se uso de métodos numéricos de grande eficácia, como o método de traçado de raios e de fonte imagem especular (Moraes, 2007), que podem ser utilizados conjuntamente na forma de um método híbrido, o qual otimiza suas características, associando a natureza determinística do método da fonte imagem, com algumas características estatísticas do método de raios acústicos (Souza, 1997). Assim, o presente trabalho aborda a simulação de um ambiente piloto, a saber, o piso das turbinas de uma usina hidrelétrica de pequeno porte, para o qual foram constatados níveis de ruído de até 99,6 db(a), provocando desconforto acústico em seus colaboradores, devido à inadequação frente às normas Brasileiras vigentes (NR-15). O software comercial utilizado para a realização das simulações de determinação dos parâmetros acústicos no ambiente modelo foi o Odeon, versão 9.2. Trata-se de um software com grande aceitação em pesquisas nacionais e internacionais, além de ser o software disponível na infraestrutura do Grupo de Vibrações e Acústica (GVA) da Universidade Federal do Pará (UFPA). 2. MÉTODOS NUMÉRICOS A seguir, são descritas as principais informações a respeito do método híbrido mencionado acima, o qual representa uma otimização das soluções levadas em considerações para os métodos da fonte imagem e de traçado de raios, utilizadas para reduzir ainda mais o custo computacional dos modelos desenvolvidos Método da fonte imagem Neste método, fontes especulares virtuais são criadas a partir da consideração das superfícies do ambiente como espelhos, ver Figura 1. Figura 1: Fontes imagem de primeira ordem. Apesar de estar baseado em uma teoria razoavelmente simples, o que reduz seu custo computacional, o método híbrido de raios acústicos e fontes imagem possui limitações que podem demandar um longo tempo de processamento. Tais limitações incluem: teste de visibilidade de fontes sonoras por parte de receptores de som (como visto na Fig. 2) para salas não retangulares; presença de objetos na sala e/ou salas muito irregulares, que tornam o modelo complexo por conta do excesso de superfícies.

3 Figura 2: Teste de visibilidade para salas não retangulares Método de traçado de raios No método de traçado de raios, admite-se a energia emitida pela fonte distribuída em um número discreto de raios. Dessa forma, cada raio possui a energia emitida pela fonte divida pelo número de raios emitidos e, cada um, viaja com velocidade equivalente à velocidade do som até colidir com as superfícies internas à sala. Por meio dos fenômenos da reflexão sonora (difusa ou especular) e absorção sonora (inclusive do ar), os raios acústicos vão perdendo energia, enquanto viajam da fonte sonora a um receptor (ver Fig. 3). Quando estes raios não possuem mais níveis significativos de energia são então desconsiderados, dando início a uma nova seção de lançamento de novos raios. Para calcular a energia sonora em pontos distintos de uma sala, é distribuída uma malha de receptores constituída de volume finito que identifica os raios que a cruzam. Determinando o número de raios que cruza a malha finita de receptores e a contribuição energética de cada um, em cada ponto, pode-se então determinar o nível de pressão sonora (NPS) correspondente àquela posição. Figura 3: Traçado de um raio acústico da fonte sonora (F) ao receptor (R). Fonte: Raynoise (1993). 3. RUÍDO EM AMBIENTES INDUSTRIAIS O ruído se tornou uma grande preocupação em ambientes industriais, a partir do momento em que se elevou o número de trabalhadores com Perda Auditiva Induzida pelo Ruído (PAIR). Esta perda normalmente é registrada em casos de trabalhadores que não somente tiverem sua exposição a um nível de ruído intenso, mas também por um longo tempo de exposição. A fim de se enfrentar o problema, hoje são realizados estudos para controle de ruído em ambientes industriais, com base em normas regulamentadoras que buscam inibir o excessivo número de trabalhadores expostos a elevados níveis de ruído e por tempos prolongados. A norma regulamentadora NR-15, trata de atividades e operações insalubres e estabelece a máxima exposição diária ao ruído, de acordo com a Tab. 1.

4 Tabela 1: Exposição ao ruído com base na NR-15. Nível de ruído Máxima exposição diária permissível 85 8 (horas) 90 4 (horas) 95 2 (horas) (hora) (minutos) (minutos) (minutos) (minutos) (minutos) (minutos) (minutos) Fonte: NORMA REGULAMENTADORA 15, AMBIENTE INVESTIGADO O ambiente em questão é o piso das turbinas de uma usina hidrelétrica da CHESF/Regional Paulo Afonso. O piso das turbinas escolhido para o desenvolvimento deste estudo foi o da usina Paulo Afonso IV (PA IV). que tem como características importantes o modo e o local em que foi construída. A usina em estudo foi construída em meio a um ambiente rochoso, reforçadas com colunas de concreto. O piso do ambiente também é feito de concreto, além de contar com a presença do maquinário em geral Parâmetros acústicos Nível de pressão sonora O nível de pressão sonora (NPS) é a medida física preferencial para caracterizar a sensação subjetiva da intensidade dos sons, sendo calculado através do valor eficaz da pressão sonora, Prms, em comparação ao valor de pressão sonora de referência, P 0 (Bistafa, 2006): 10 log P0 2 P rms NPS [Eq. 01] Nível equivalente Quando se deseja registrar um nível de pressão sonora que represente um valor médio, durante certo tempo de medição, então deve-se calcular o nível equivalente de ruído, Leq, através da seguinte expressão: L eq T L p t log 10 dt [Eq. 02] T 0 onde Lp(t) é o nível sonoro no instante t, enquanto T representa o período de medição. Caso o Lp(t) seja um nível sonoro com ponderação A, então o nível equivalente é representado por LAeq, sendo expresso em dba Nível de potência sonora As medições de potência sonora são importantes porque, através desta se pode calcular o nível de pressão sonora em qualquer posição do ambiente, desde que o tamanho deste ambiente, sua forma e absorção sonora de suas fronteiras sejam conhecidas. O valor da potência sonora não é função do meio de propagação já que a potência sonora refere-se à energia emitida pela fonte. O nível de potência sonora é dado pela equação:

5 W NWS 10log [Eq. 03] W0 onde W é a potência sonora em watts e W0 é o valor de potência sonora de referência (igual a watt) Determinação dos parâmetros acústicos Em uma fase preliminar de investigação acústica, foram utilizados os equipamentos para medição de níveis de ruído, apresentados na Fig. 4. Para as medições dos níveis de ruído no interior do piso das turbinas, utilizou-se um analisador de sinais de quatro canais (Fig. 4a), o qual possui grande precisão e estabilidade ao longo do tempo, além de funcionar como um analisador em tempo real, ou seja, quando são realizadas medições em bandas de frequência, todas as bandas são adquiridas simultaneamente, de modo que as medições se tornam muito mais rápidas e confiáveis. O microfone utilizado (Fig. 4b) consiste num microfone de precisão científica, com resposta em frequência praticamente plana ao longo de toda a faixa audível. Trata-se de um microfone de campo difuso, o qual responde a ondas sonoras que nele incidem, provenientes de todas as direções, com igual sensibilidade, o que é adequado para medições em ambientes fechados com superfícies acusticamente refletoras, tal como é o caso do piso das turbinas sob investigação. Dessa forma, o microfone de campo difuso é conectado ao analisador, o qual é conectado a um computador (Fig. 4c), onde se encontra o software que controla o analisador. O sistema de aquisição foi configurado para medir o nível de ruído em bandas de 1/3 de oitava, de 20 a Hz, com ponderação linear em frequência e durante um período de 10 s, o que se mostrou suficiente devido ao caráter estacionário do ruído produzido no interior do ambiente. Foram medidos ainda os níveis globais com ponderação A, além do espectro do ruído em banda estreita, de forma simultânea, para cada ponto investigado. Figura 4: Equipamentos utilizados na investigação experimental: (a) Analisador de Sinais de 04 canais tipo Pulse da B&K; (b) Microfone de campo difuso de ½ tipo 4942 da B&K; Notebook com software Labshopview para controle do Analisador Pulse. 5. ANÁLISE NUMÉRICA Nesta etapa do trabalho foi desenvolvida a geometria do piso das turbinas da PA IV em ambiente computacional, com as características as mais fiéis possíveis, em relação à sala real, utilizando-se ferramentas de CAD. Dessa forma, construiu-se um modelo numérico com área de piso igual a descrita em documentos oficiais de posse da empresa, e buscando-se levar em consideração a presença do maquinário/painéis de controle existentes neste ambiente (ver Fig. 5).

6 Figura 5: Modelo preliminar do Piso da Turbina da PA IV, indicando as fontes sonoras em vermelho e as posições de microfone, em azul. No modelo apresentado na Figura 5, pode-se observar as principais características da geometria da sala, estando indicadas, em vermelho, as posições das fontes acústicas, além das posições de microfones, em azul, localizados aproximadamente nas mesmas posições em que foram realizadas as medições de níveis de ruído in loco. Comparando os resultados de NPS experimentais com aqueles fornecidos pelo modelo numérico do piso das turbinas da PA IV, com fontes sonoras devidamente atribuídas, observa-se que o modelo alcançou uma excelente concordância com o que se encontra in loco, como mostra a Figura 6. Figura 6: NPS (dba) em função do ponto de medição para o Piso da Turbina da PA IV: dados experimentais (X) e resultados numéricos do modelo validado ( ).

7 Valendo ressaltar que os valores na coluna esquerda da Figura 6 variam de 0,5 em 0,5 db(a), mostrando a concordância acima citada e estando dentro de uma faixa limite de 3dB(A). Isso valida o modelo desenvolvido, permitindo o teste de soluções virtuais de controle de ruído no ambiente sob estudo, a fim de adequá-lo à NR-15. Uma vez que os dados numéricos foram validados, haja vista a concordância com os dados obtidos experimentalmente, pôde-se então dar início à fase de simulações de soluções virtuais de controle de ruído para tornar o ambiente investigado acusticamente salubre Controle de ruído Controle de ruído é uma atividade direcionada para a modificação de um campo acústico, de tal forma a se adequar este último aos objetivos preestabelecidos para o ambiente considerado, não implicando necessariamente na redução ou limitação do som (E. & F. N. Spon, 2004). No entanto, existem também medidas de controle de ruído que necessariamente não modificam o campo acústico. Deve-se, através de medidas tomadas com base nos conhecimentos de acústica e do processo industrial, tentar-se alcançar um objetivo definido, que muitas vezes não tem a finalidade de redução de ruído e sim a prevenção da audição das pessoas expostas. De uma forma geral, o controle de ruído pode ser executado tomando-se as seguintes medidas: Controle de Ruído na Fonte; Controle de Ruído na Trajetória; e Controle de Ruído no Receptor Solução 1: absorção sonora nas principais superfícies do ambiente A primeira solução testada considera a utilização de painéis de absorção sonora de lã de rocha com 100 mm de espessura e 32 kg/m 2 de densidade, tal como descrito anteriormente. A Figura 7 apresenta uma vista interna do ambiente referente ao piso da Turbina da PA IV, com várias superfícies recobertas pelo material de absorção sonora descrito. As demais soluções são: 2ª Porta acústica com absorção na saída do poço da turbina, 3ª Vedação da saída da tubulação de óleo do mancal e 4ª Porta acústica na sala da turbina e vedação da saída da tubulação de óleo do mancal. Por motivos de síntese as demais propostas de soluções foram somente citadas e mostradas na tabela 2 abaixo.

8 Tabela 2: Soluções e valores de níveis sonoros médios para o piso da Turbina da PA IV. Nível Nível Atual Diferença Solução Alcançado db(a) db(a) db(a) Absorção sonora nas principais superfícies do ambiente Porta acústica com absorção na saída do poço da turbina Vedação da saída da tubulação de óleo do mancal Porta acústica na sala da turbina, absorção no poço da turbina e vedação da saída da tubulação de óleo do mancal , , Fonte: O autor, CONCLUSÕES Foi proposta neste trabalho uma metodologia para desenvolvimento de medidas de controle de ruído em um ambiente de geração de energia elétrica, mais especificamente, de uma hidrelétrica. Tal metodologia conseguiu resultados de medidas de controle de ruído que contribuem para reduzir o NPS médio dos ambientes pilotos para valores abaixo de 85 db(a), que é o valor limite estipulado pela NR-15, para uma jornada de trabalho de 8h por dia. Através da qual cumpriu-se com os objetivos propostos, como mostrado anteriormente. De forma resumida, essa metodologia constitui-se numa abordagem numérico-experimental que consiste em: Medições experimentais de nível de pressão sonora; Desenvolvimento de mapas acústicos a partir das medições de nível de pressão sonora; Reconhecimento das fontes sonoras mais influentes através dos mapas acústicos; Caracterização das fontes reconhecidas, como tipo de fonte sonora, localização, aspectos de frequência, particularidades do ruído gerado e níveis de potência sonora; Desenvolvimento de modelos numéricos dos ambientes, utilizando software híbrido de raios acústicos e fontes imagem e validação a partir de comparações com resultados experimentais de nível de pressão sonora; e Propostas de medidas de controle de ruído baseadas nos modelos numéricos desenvolvidos. Todo esse procedimento foi desenvolvido para investigar o campo acústico do piso das turbinas da Usina Hidrelétrica Paulo Afonso IV, ambiente piloto do estudo. Este ambiente fora escolhidos com base na análise dos locais da usina com maior número de colaboradores expostos ao ruído. Tendo, no piso das turbinas, as aberturas das salas das turbinas como principal fonte (porta do poço e abertura para saída de tubulações de óleo dos mancais). REFERÊNCIAS 1. Bistafa, S.R., 2006, Acústica Aplicada ao Controle de Ruído, Ed. Edgard Blücher, São Paulo, Brasil. 2. Cardoso, H.F.S., 2008, Desenvolvimento de Enclausuramento Parcial Através de Métodos Numéricos para Controle de Ruído de Grupos Geradores em uma Usina Termoelétrica da Eletronorte, Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade Federal do Pará, Belém, Brasil. 3. Melo, G.S.V., 2002, Measurement and Prediction of Sound Absorption of Room Surfaces and Contents at Low Frequencies, Tese de Doutorado, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, Brasil.

9 4. Vieira, R.J.A., 2008, Desenvolvimento de Painéis Confeccionados a Partir de Fibras de Coco para Controle Acústico de Recintos, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Pará, Belém, Brasil. 5. Odeon ver 9.2, 2009, User Manual, Bruel & Kjaer, Dinamarca. 6. Gerges, S.N.Y., 2000, Ruído: Fundamentos e Controle, NR Editora, Florianópolis, Brasil. 7. Raynoise, 1993, User Manual, Numerical Integration Technologies, Bélgica. 8. Sousa, M.C.R., 1997, Previsão do Ruído em Salas por Raios Acústicos e Ensaios Experimentais, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, Brasil.